Diapositive sul ciclo cellulare

18/01/2015
Ciclo Cellulare
Biotecnologie
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e3/Mitosis_%28261_13%29_Pressed%3B_root_meristem_of_onion_%28cells_in_
prophase,_metaphase,_anaphase,_telophase%29.jpg
http://270c81.medialib.glogster.com/media/3b/3b966af047cca0605f106aa1a34dd3451287c5e41a0c7ce8ce537f74bbb795eb/main‐cell‐
cycle.jpg
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Paragone tra dimensioni del genoma
La dimensione del genoma viene misurata in termini di paia di nucleotidi del DNA per genoma aploide, ossia, per singola copia del genoma. (Le cellule degli organismi
che si riproducono sessualmente sono di solito diploidi: esse contengono due copie
del genoma, una ereditata dalla madre, l’altra dal padre). Gli organismi strettamente
correlati possono variare largamente nella quantità di DNA dei loro genomi, anche se contengono numeri simili di geni funzionalmente distinti. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26909/figure/A80/
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060‐18/18_11.jpg
Le cellule, come tutti gli organismi, hanno un ciclo vitale. Le
cellule nascono, si riproducono e muoiono.
La riproduzione e la morte delle cellule dipendono da diversi
fattori e sono strettamente correlate. Per esempio, i tessuti
animali possono essere classificati, dal punto di vista cinetico, in
tre tipi:
tessuti labili
tessuti stabili
tessuti perenni
I cromosomi umani. Schema dei cromosomi umani evidenziando il quadro bandeggiato che si ottiene con una colorazione citogenetica. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9907/figure/A649/
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I tessuti labili sono tessuti in cui le cellule hanno un ciclo
vitale breve e un ritmo di proliferazione alto.
Un esempio tipico è rappresentato dagli epiteli
pluristratificati, quale l’epidermide. Le cellule superficiali
dell’epidermide sono soggette a continui traumi fisici e
chimici. Esse vanno incontro a cheratinizzazione, muoiono
e si esfoliano. Per mantenere l’integrità tissutale,
l’epidermide ha bisogno di un continuo rinnovo cellulare;
nuove cellule devono prendere il posto di quelle che man
mano muoiono. Lo strato basale, a contatto con il tessuto
connettivo sottostante, dell’epidermide viene chiamato
strato germinativo. A questo livello infatti le cellule si
riproducono e poi vengono sospinte verso gli strati più
superficiali.
Fotografia di un epitelio pluristratificato. Nello strato germinativo è visibile una cellula in divisione (freccia gialla). Fotografia a microscopia ottica di una
sezione di mucosa orale di ratto.
Colorazione con ematossilina e eosina.
Fotografia di C. Pellicciari
E. Scherini
Gli organi interni di un organismo, quali per esempio le
ghiandole, sono soggetti a traumi minori. Le cellule, quindi,
hanno vita più lunga e un ritmo di proliferazione più basso.
In caso però di una lesione (chimica o chirurgica), l’integrità
dell’organo deve essere rapidamente ripristinata e in
conseguenza le cellule si attivano nella proliferazione.
Questi tessuti, costituiti da cellule che possono rimanere
quiescenti per lunghi periodi, per poi rapidamente
proliferare a seguito di stimoli, vengono chiamati stabili.
E. Scherini
Altri tessuti, quali il tessuto muscolare cardiaco ed il
tessuto nervoso, sono costituiti da cellule che, una
volta differenziatesi (in cardiomiociti o neuroni), non
sono più apparentemente in grado di riprodursi. Ne
consegue che, nell’organismo maturo, una lesione di
questi tessuti non può essere riparata, se non con la
costituzione di un tessuto cicatriziale (connettivo nel
caso del miocardio, gliale nel caso del tessuto
nervoso).
Questi tessuti sono definiti perenni.
E. Scherini
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Le cellule dei tessuti vanno incontro, quindi, in maggior o minor
misura, ad un ciclo vitale.
Durante questo ciclo, la cellula nasce, si accresce e svolge la propria
funzione e si divide in due cellule figlie. Il periodo che intercorre tra
la nascita della cellula e la sua divisione viene chiamato ciclo
cellulare. Secondo il tipo cellulare ed il tessuto, una delle due cellule
figlie può continuare ad accrescersi e dividersi (e quindi rientrare nel
ciclo cellulare), o differenziarsi per dare origine a una cellula matura.
Ad ogni modo, la cellula che si divide deve dare origine a due cellule
perfettamente uguali dal punto di vista genetico. Nelle cellule, sia
procariote che eucariote, è presente il DNA, che, grazie alla
trascrizione, rappresenta tutte le caratteristiche di una certa specie e,
come tale, deve essere tramandato dalla cellula originaria alle cellule
figlie. Il ciclo cellulare e la divisione delle cellule attraverso il processo
di mitosi garantiscono che il patrimonio genetico (il DNA) venga
fedelmente tramandato.
FASI DEL CICLO CELLULARE
Il ciclo di divisione della maggior parte delle cellule eucariotiche è suddiviso in quattro fasi distinte: M, G1, S e G2. La fase M (mitosi) è di solito seguita dalla citocinesi (citodieresi).
La fase S è il periodo durante il quale ha luogo la replicazione del DNA. La cellula cresce durante tutta l’interfase, che include G1, S e G2. Le durate relative delle fasi del ciclo cellulare qui illustrate sono tipiche per cellule di mammiferi in rapida divisione.
E. Scherini
INTERFASE (1)
Di solito dura almeno 12‐24 h nei tessuti dei mammiferi. In questo periodo la cellule stanno costantemente sintetizzando RNA, producendo proteine e aumentando le loro dimensioni. L’interfase può essere suddivisa in 4 passi: “Gap” (intervallo) 0 (G0), Gap 1 (G1), fase S (sintesi del DNA) e Gap 2 (G2).
INTERFASE (2)
Fase di “gap 0” (G0): Ci sono occasioni in cui una cellula
lascia il ciclo e smette di dividersi. Questo può essere un
periodo di riposo temporaneo, può essere più prolungato
o persino permanente. Un esempio dell’ultimo è una
cellula che ha raggiunto uno stadio finale dello sviluppo
e non si dividerà più (ad es. un neurone).
Fase di “gap 1” (G1): Le cellule aumentano di dimensioni
in G1, producono RNA e sintetizzano proteine. Un
importante meccanismo di controllo attivato in questo
periodo (G1 checkpoint) assicura che tutto sia pronto per
la sintesi del DNA.
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INTERFASE (3)
Fase S: per produrre due cellule figlie identiche, la totalità
delle istruzioni contenute nel DNA deve essere duplicata. La
replicazione del DNA ha luogo in questa fase S (di sintesi). Ha
luogo anche la sintesi di nuovi istoni necessari per avvolgere il
DNA neo‐sintetizzato formando nucleosomi
Fase di gap 2 (G2): Nell’intervallo (gap) fra la sintesi di DNA e
la mitosi, la cellula continuerà a crescere e a produrre nuove
proteine. Alla fine di questo intervallo vi è un altro punto di
controllo (checkpoint G2) per determinare se la cellula è ora
in grado di procedere ad entrare nella fase di mitosi (M) e
dividersi.
CONTROLLO DEL CICLO CELLULARE (1)
I processi fondamentali del ciclo cellulare – quali la replicazione del DNA, la mitosi e la citocinesi – sono scatenati da un sistema di controllo del ciclo cellulare. Per analogia con una lavatrice, il sistema di controllo del ciclo cellule viene qui illustrato come una lancetta centrale – il controllore – che ruota in senso orario, scatenando eventi essenziali quando raggiunge punti specifici sul quadrante esterno. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid
=mboc4.figgrp.3189
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26824/figure/A3189/
CONTROLLO DEL CICLO CELLULARE (2)
Posti di blocco (“checkpoints”) del sistema di controllo del ciclo cellulare. Informazioni riguardanti il complettamento degli eventi del ciclo cellulare così come segnali dall’ambiente externo, possono provocare l’arresto del sistema di controllo del ciclo in posti di blocco specifici. I punti di blocco più importanti hanno luogo nelle localizzazioni marcate da caselle gialle. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=mboc4.fi
ggrp.3197
G1
http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/150/mitosis/checkpoints.htm
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PUNTO DI CONTROLLO IN G1
Oltrepassare questo punto solo se:
Fase G0 (1)
La dimensione della cellula è appropriata
La divisione cellulare è altamente regolata: le cellule sono programmate per NON dividersi a meno che non ricevano segnali per farlo.
La disponibilità di nutrienti è sufficiente
Sono presenti fattori di crescita (segnali da altre cellule)
Nella fase G1 tardiva esiste un punto di controllo detto PUNTO DI RESTRIZIONE.
PUNTO DI CONTROLLO IN G2
Oltrepassare questo punto solo se:
La dimensione della cellula è appropriata
La replicazione dei cromosomi è stata completata con successo
PUNTO DI CONTROLLO NELLA METAFASE
Oltrepassare questo punto solo se:
Tutti i cromosomi sono legati al fuso mitotico
Per chè la cellula superi il punto di restrizione debbono essere presenti fattori proteici detti fattori di crescita.
I fattori di crescita si legano a recettori sulla cellula bersaglio e inducono la sua crescita.
Se i fattori corretti di crescita sono presenti, la cellula oltrepassa le fasi G1
e S ed è destinata a dividersi.
Se i fattori di crescita non sono presenti , la cellula entra in uno stato di quiescenza detto G0, in cui le cellule permangono a lungo senza crescere o dividersi, svolgendo una funzione specializzata.
Le cellule in G0 sono metabolicamente attive ma il loro tasso di sintesi proteica è molto ridotto rispetto alle cellule in crescita attiva.
Kreuzer & Massey
Fase G0 (2)
Lo stato normale di una cellula in un organismo adulto è quello di rimanere in G0 finchè i fattori di crescita appropriati le segnalino di dividersi:
Es: I fibroblasti della pelle rimangono in G0 e non crescono a meno che la pelle non sia danneggiata.
Quando ciò avviene, un fattore di crescita è rilasciato dalle piastrine durante il processo di coagolazione del sangue.
I fattori di crescita derivati dalle piastrine (PDGF) si legano ai recettori sulla superficie dei fibroblasti della pelle vicino al sito della ferita e segnalano ad essi di lasciare lo stato G0 e di dividersi, riparando la ferita.
Kreuzer & Massey
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Replicazione semiconservativa del DNA.
I due filamenti parentali del DNA si separano e ognuno serve come stampo per la sintesi di un nuovo filamento “figlio” mediante accoppiamento di basi complementari. Ciclo cellulare
FASE S
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9944/figure/A
430/
Sintesi del DNA
Replicazione del DNA
http://morgansbio205.weebly.com/uploads/1/3/6/5/13658882/2926827_orig.jpg?1
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Cromatidi fratelli
«sister chromatids» (dopo la fase S)
http://academic.brooklyn.cuny.edu/biology/bio4fv/page/molecular%20biology/mitosis‐chromosome.html
Condensine e coesine
http://www.spring8.or.jp/en/n
ews_publications/press_releas
e/2012/120218
http://www.riken.jp/chromdyna/en/research/project02.html
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Dopo la fase S, in cui la cellula replica il proprio contenuto in
DNA, segue la fase G2. Questa fase è in genere abbastanza
breve e solitamente prelude alla divisione cellulare. In alcuni
tessuti, però, può essere molto prolungata e addirittura
durare per tutta la vita della cellula. In tal caso, le cellule
svolgono le loro normali funzioni.
Alla fase G2 segue la fase M o mitosi, la divisione cellulare
vera e propria, attraverso cui da una cellula se ne generano
due perfettamente identiche dal punto di vista genetico.
Scherini, 2002
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STADI DELLA MITOSI DI UNA CELLULA ANIMALE
Ciclo cellulare
MITOSI
Durante la profase i cromosomi si condensano e i centrosomi si muovono ai lati opposti del nucleo, iniziando la formazione del fuso mitotico. A questo punto la rottura dell’involucro nucleare permette ai microtubuli del fuso di attaccarsi al cinetocore dei cromosomi.
Durante la prometafase i cromosomi oscillano avanti e indietro fra i centrosomi e il centro della cellula, per infine allinearsi al centro del fuso (metafase). Nell’anafase i cromatidi fratelli si separano e si muovono verso i poli opposti del fuso. La mitosi ha termine con la re‐formazione degli involucri nucleari e la decondensazione dei cromosomi durante la telofase, e la citocinesi produce due cellule figlie in interfase. Notare che ciascuna delle cellule figlie riceve un centrosoma, che si duplicherà prima della seguente mitosi.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21537/figure/A5500/
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STADI DELLA MITOSI DI UNA CELLULA ANIMALE
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9958/figure/A2472/?report=objectonly
http://www.quia.com/files/quia/users/lmcgee/mitosis/AP_Chapter_12/mitosis_stages_diagram.jpg
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http://iws.collin.edu/mweis/Images/Models/2401models/cell%20models/cell%20models%20labeled/CELL_MITOSIS_TELOPHAS
E_model_labeled.png
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26934/figure/A3350/
Formazione del fuso mitotico
http://www.di.uq.edu.au/sparq/images/mitosisstructure.jpg
http://www.nature.com/nrm/journal/v9/n1/images/nrm2310‐f2.jpg
I centrioli e i centrosomi si duplicano durante l’interfase.
Durante la profase della mitosi, i centrosomi duplicati si separano e si muovono verso le estremità opposte del nucleo. L’involucro nucleare si disaggrega, e i microtubuli si riorganizzano per formare il fuso mitotico. I microtubuli del cinetocore si legano ai cromosomi condensati, mentre i microtubuli polari si sovrappongono al centro della cellula, e i microtubuli astrali si estendono verso la periferia della cellula.
Nella metafase i cromosomi condensati si allineano al centro del fuso. 12
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Fuso mitotico
Fuso mitotico
http://www.microscopyu.com/staticgallery/featuredmicroscopist/deerinck/deerinckimage13.html
http://ehumanbiofield.wikispaces.com/Chromosomes+HW4+MC
Separazione dei poli del fuso nell’anafase B
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9833/figure/A1841/
Rottura e ri‐formazione dell’involucro nucleare
durante la mitosi
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26932/figure/A2174/
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FRAMMENTAZIONE DELL’INVOLUCRO NUCLEARE
Mentre la lamina nucleare si dissocia, l’involucro nucleare si frammenta in vescicole. Le lamìne di tipo B rimangono legate a queste vescicole, mentre le lamine A e C vengono rilasciate come dimeri liberi.
Dissoluzione della lamina nucleare
La lamina nucleare consiste in una rete di filamenti di lamina. Nella mitosi, la Cdc2 ed altre proteina chinasi fosforilano le lamine, provocando la dissociazione dei filamenti in dimeri di lamina liberi.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9890/figure/A1377/?report=objectonly
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9890/figure/A1378/?report=objectonly
LA FOSFORILAZIONE DELLE LAMINE PORTA ALLA
DEGRADAZIONE DELL’INVOLUCRO NUCLEARE -1
LA FOSFORILAZIONE DELLE LAMINE PORTA ALLA
DEGRADAZIONE DELL’INVOLUCRO NUCLEARE -2
L’involucro nucleare è una estensione circondata da una doppia membrana del reticolo endoplasmico ruvido che contiene molti complessi dei pori nucleari. Il doppio strato lipidico della membrana interna è sostenuto dalla lamina nucleare, una rete di filamenti di lamine localizzato sotto la faccia interna dell’involucro nucleare. Le tre lamine nucleari (A, B, e C) presenti nelle cellule dei Vertebrati appartengono alla classe dei filamenti intermedi delle proteine del citoscheletro, che sono cruciali per sostenere le membrane cellulari.
Le lamìne A e C, che sono codificate dalla stessa unità di trascrizione e prodotte per splicing alternativo di un singolo pre‐mRNA, sono identiche, all’eccezione di una regione di 133 residui nel C‐ terminale della lamìna A, che è assente nella lamìna C.
La lamìna B, codificata da una unità trascrizionale diversa, viene modificata post‐traduzionalmente mediante l’aggiunta di un gruppo isoprenilico idrofobico vicino al C‐ terminale. Questo acido grasso viene incorporato nel foglietto interno del bilayer lipidico che forma la membrana nucleare interna, ancorando così la lamina nucleare alla membrana. Tutte tre le lamìne nucleari formano dimeri che contengono una sezione centrale bastoncellare ad α‐elica e domini di testa e di coda globulari; la polimerizzazione di questi dimeri mediante associazioni testa‐a‐testa e coda‐a‐coda genera i filamenti intermedi che compongono la lamina nucleare.
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LA FOSFORILAZIONE DELLE LAMINE PORTA ALLA DEGRADAZIONE DELL’INVOLUCRO NUCLEARE ‐3
All’inizio della mitosi, il Mitosis Promoting Factor (MPF) fosforila residui di serina specifici in tutte tre le lamine, provocando la depolimerizzazione dei filamenti intermedi della lamina. I dimeri fosforilati di lamìne A e C vengono rilasciati in soluzione, mentre i dimeri fosforilati di lamìne B rimangono associati alla membrana nucleare mediante la loro ancora isoprenilica.
La depolimerizzazione delle lamìne nucleari porta alla disintegrazione della rete della lamina nucleare e contribuisce alla rottura dell’involucro nucleare in piccole vescicole. Ri‐formazione dell’involucro
nucleare
Il primo passo del riassemblaggio
dell’involucro nucleare consiste nel
legame di vescicole di membrana
ai cromosomi, che può essere
mediato sia da proteine integrali di membrana che da lamìne di tipo B. Le vescole allora si fondono, la lamina nucleare si riassembla e i
cromosomi decondensano. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9890/figure/A13
82/
ASSEMBLAGGIO DELL’INVOLUCRO NUCLEARE
DURANTE LA TELOFASE
Vescicole dell’involucro nucleare, generate dalla
rottura dell’involucro durante la profase, si
associano con i cromosomi in fase di decondensazione e quindi si fondono. Anello contrattile nella citocinesi (citodieresi)
I complessi dei subpori si riassemblano nei pori
nucleari, formando mininuclei individuali detti
cariomeri. I cromosomi da essi racchiusi si decondensano
ulteriormente e la subseguente fusione degli
involucri nucleari di tutti i cariomeri all’altezza dei
poli del fuso forma un nucleo singolo contenente
un corredo completo di cromosomi. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9961/figure/A1802/
Il riassemblaggio della lamina nucleare non è indicato.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21704/figure/A3523/
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NOTE
•Può capitare che la telofase non sia seguita dalla citodieresi. In tal caso si
genera una cellula binucleata, in cui ciascun nucleo è 2c e 2n.
•I cromatidi si possono dividere in tarda metafase, ma non segregare ai poli
opposti. La cellula che ne deriva ha un solo nucleo con contenuto in DNA 4c e
numero cromosomico tetraploide (4n).
• Se il processo prosegue si ottengono cellule poliploidi. Nel fegato questo
evento è molto comune.
•Le cellule germinali si dividono anch’esse per mitosi sino a un certo stadio del
loro differenziamento, quindi seguono un percorso diverso e si dividono per
meiosi. Questo argomento verrà trattato nel modulo di Biologia dello Sviluppo.
http://micro.magnet.fsu.edu/cells/fluorescencemitosis/cytokinesis1large.html
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